stopy niskotopliwe
Zakres temperatur i klasyfikacja
• Stopy ultraniskotopliwe (< 140 °C): Sn42Bi58 (138 °C), Sn48In52 (118 °C), Wooda (≈70 °C), Cerrobend (47 °C), Galinstan (-19 °C).
• Stopy niskotopliwe elektroniki (140–180 °C): Sn-Bi-Ag (≈139–142 °C), Sn-Zn-Bi (~150–165 °C).
• Luty miękkie „klasyczne” (180–450 °C): Sn60Pb40 (183–190 °C), SAC305 (217–221 °C) – tu już wykraczają poza niskotopliwe w sensie SMT, ale mieszczą się w definicji lutów miękkich.
Najważniejsze układy chemiczne
| Układ / nazwa handlowa | Skład typowy (wag. %) | Tₗᵢq [°C] | Atuty | Wady |
|---|---|---|---|---|
| Sn-Bi (eutektyk) | Sn42 / Bi58 | 138 | tani, dobra zwilżalność | kruchość, wrażliwy na Pb (Sn-Pb-Bi eutekt. 96 °C) |
| Sn-Bi-Ag | Sn40-41 / Bi57-58 / Ag1-2 | 139–142 | wyższa wytrzymałość mechaniczna | koszt Ag, nadal kruchość |
| Sn-In (eutektyk) | Sn48 / In52 | 118 | bardzo plastyczny, dobra przew. cieplna | wysoka cena indu, podatność na korozję |
| In-Ag | In97 / Ag3 | 143 | znakomita ciągliwość, wytrz. na zmęczenie | bardzo wysoka cena |
| Wooda | Bi50 / Pb26.7 / Sn13.3 / Cd10 | 70 | topi się poniżej punktu wrzenia wody, fuzje termiczne | toksyczny Cd i Pb |
| Galinstan | Ga68 / In22 / Sn10 | -19 → płynny | nietoksyczny, wys. przew. termiczna | agresywny do Al, koszt Ga/In |
Procesy i zjawiska krytyczne
• Profil SMT: dla Sn-Bi TAL (Time Above Liquidus) 30–90 s przy 150–160 °C, narastanie 1–2 K/s.
• IMC (intermetallic compounds): Sn-Bi wytwarza warstwę Cu₆Sn₅ o ≈1/3 grubości SAC305 przy tej samej TAL – pozytywne dla zmęczenia termicznego.
• Kruchość Bi: granica plastyczna rośnie, wydłużenie spada ~-60 % vs SAC; przy spadku z 1 m połączenia Sn-Bi potrafią pęknąć w 1-3 cyklach.
• Zanieczyszczenie ołowiem: 0,3-0,4 % Pb obniża Tₗᵢq Sn-Bi do ≈120 °C, 3-5 % Pb – do 96 °C → ryzyko awarii w pracującym urządzeniu.
Typowe zastosowania
• SMT komponentów wrażliwych (LED-y, MEMS, wielowarstwowe ceramiczne kondensatory, cienkie laminaty).
• Step-soldering (pierwsze lutowanie SAC305, drugie Sn-Bi).
• Bezpieczniki termiczne, czujniki przeciwpożarowe (Wooda, Rosego).
• Odlewnictwo precyzyjne i prototypowanie (rozszerzanie Bi kompensuje skurcz).
• Ekrany rentgenowskie, kolimatory (Bi-Pb bez Cd).
• 2023-2024: producenci past lutowniczych (Indium Corp., Henkel, Kester) wprowadzają bezołowiowe Sn-Bi-Ag-X z mikro-dodatkami (Ni, Ge, Ce) w celu podniesienia udarności 2-3× bez wzrostu Tₗᵢq.
• Low-Power Reflow (LPR): linie SMT dla elektroniki konsumenckiej schodzą z peak ≈210 °C (SAC) do ≈165 °C (Sn-Bi), co redukuje zużycie energii pieca o 20-30 %.
• Dyrektywa RoHS III: limit Cd < 0,01 %, Pb < 0,1 % → stop Wooda/Lipowitza dopuszczalne wyłącznie w aplikacjach bezpieczeństwa po uzyskaniu wyłączeń.
• R&D: niskotopliwe proszki Bi-Sn-Ag dla druku 3D strukturalnych przewodników (ink-jet, aerosol jet).
– Termiczny CTE (Coefficient of Thermal Expansion) Sn-Bi ≈14 ppm/K vs FR-4 17 ppm/K → lepsze dopasowanie niż SAC (23 ppm/K).
– Przyrost grubości IMC \(x = k \sqrt{t}\), gdzie \(k\) dla Sn-Bi wynosi ≈0,4 µm·s⁻¹ᐟ² przy 150 °C (o 60 % mniej niż SAC305 przy 235 °C).
– Galinstan zmoczy szkło tylko po aktywacji powierzchni plazmą; spontanicznie zwilża Al, wywołując korozję wżerową – uwaga przy manipulacji.
– RoHS/REACH: ograniczenia Pb, Cd; konieczność stosowania stopów bezołowiowych w elektronice masowej.
– Recykling indu (krytyczny surowiec wg UE); projektowanie pod odzysk.
– Bezpieczeństwo BHP: pary kadmu toksyczne już przy 300 °C; stosować lokalne odciągi.
Wybór stopy:
• Elektronika konsumencka: Sn42Bi58 lub Sn-Bi-Ag1.
• Wysoka niezawodność/lotnictwo: Sn-In, In-Ag mimo ceny.
• Bezpieczniki termiczne 70 °C: Wooda z alternatywą Bi-Sn-In-Zn (bezołowiowa).
Implementacja SMT:
• Oddziel linie produkcyjne lub przynajmniej sita drukujące – unikniesz skażenia Pb.
• Ustaw profil: soak 120–140 °C (60 s), TAL < 90 s, peak ≤ 165 °C.
• Flux typu no-clean dedykowany LTS (aktywność < 150 °C).
Testy kwalifikacyjne:
• 6× reflow (dwustronny montaż).
• -40 ↔ +85 °C, 1000 cykli, 10 min/ekstrema.
• Test upadku JESD22-B111 (8-corner, 1 m).
– Stopy Sn-Bi/Ag nie nadają się do urządzeń pracujących powyżej 120 °C (rezerwa < 20 °C do Tₗᵢq).
– Galinstan przewodzi prąd, ale tworzy tlenkową „skórkę” – wymaga stałego mieszania przy zastosowaniach w druku przewodów.
– Ciągle brak jednego „złotego” stopu spełniającego równocześnie: < 150 °C, wysoka udarność, niska cena, pełna zgodność z RoHS.
– Mikro-dodatki ziem rzadkich do Sn-Bi (La, Ce) – pierwsze raporty pokazują wzrost wydłużenia z 1 % do 6 %.
– Nanoproszki Cu/Ag do hybrydowego spiekania w 140 °C (druk 3D elektroniki elastycznej).
– Analiza starzenia Sn-Bi w wilgotnym SO₂/NOₓ – brak długoterminowych danych.
– Modelowanie numeryczne warpage PCB przy LPR vs SAC – potrzebne biblioteki materiałowe dla Bi-Sn.
Stopy niskotopliwe to niejednorodna grupa stopów o likwidus poniżej ~180 °C (w praktyce SMT). Pozwalają one lutować i wykonywać odlewy w temperaturach znacznie niższych niż tradycyjne stopy, co chroni wrażliwe komponenty i redukuje koszty energetyczne. Najpopularniejsze układy to Sn-Bi oraz Sn-In – każdy z nich ma specyficzne atuty i ograniczenia (kruchość, cena, toksyczność). Implementacja wymaga rygorystycznego unikania zanieczyszczeń Pb, dobrze dobranego profilu reflow i pełnych testów niezawodności. Dynamicznie rozwijane bezołowiowe Sn-Bi-Ag-X oraz technologie Low-Power Reflow wskazują, że udział stopów niskotopliwych w elektronice masowej będzie nadal rósł, choć w zastosowaniach wysokowytrzymałościowych pozostają one niszowym rozwiązaniem.
